CN115563683A - 一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统 - Google Patents

一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统 Download PDF

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CN115563683A CN202211252592.7A CN202211252592A CN115563683A CN 115563683 A CN115563683 A CN 115563683A CN 202211252592 A CN202211252592 A CN 202211252592A CN 115563683 A CN115563683 A CN 115563683A
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戴领
李少林
刘光彪
纪传波
杜泽快
刘洪亮
徐昆振
郑栋
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Abstract

本发明公开了一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，该系统包括自动化监测系统和安全监测管理系统；所述自动化监测系统包括数据监测模块和数据采集模块；所述安全监测管理系统包括数据感知模块、数据处理模块、数据分析模块、数据可视化模块。本发明通过自动化监测系统将数据从实体工程输送至数字孪生体赋予其“体征”，进而通过安全监测管理系统预测未来工程性态变化，同时通过可视化技术将预测数据反映在数字孪生体中，仿真工程未来变形、渗流、应力应变、环境量的性态特征变化过程，以此为基础完成预警和预案处置，能够直观表达工程状态，可视化程度高，能够直观展现工程整体安全性态。

Description

一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统
技术领域
本发明涉及水利工程安全监测的技术领域，具体涉及一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统。
背景技术
工程安全监测作为保证工程安全运行的重要措施，急需从安全监测业务涉及的监测传感器、数据采集器、数据管理、数据分析、监测预警、综合评价的全链条着手，运用物联网、云计算、数字孪生等新技术进行全方位升级改造，适应新阶段水利高质量发展的要求。
现有的安全监测管理系统各功能模块单一，可视化程度低，难以直观展现工程整体安全性态。而且大多数系统仅停留在数据采集、管理和展示层面，存在数据分析能力弱、数据价值挖掘不充分，各类数据没有完全发挥应有的作用等缺陷，难以支撑工程安全“四预”功能业务，无法在危及工程安全事件发生时提供有利的决策支持。
发明内容
本发明的目的在于克服上述背景技术的不足，提供一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，该系统功能模块多样，可视化程度高，能够直观展现工程整体安全性态。
为实现上述目的，本发明所设计的一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，包括自动化监测系统和安全监测管理系统；
所述自动化监测系统包括数据监测模块和数据采集模块；
所述数据监测模块用于对水利工程各部位的工程变形、渗流、应力应变以及环境量进行监测，获取目标监测数据；
所述数据采集模块用于采集数据监测模块监测获取的目标监测数据，并传递至安全监测管理系统；
所述安全监测管理系统包括数据感知模块、数据处理模块、数据分析模块、数据可视化模块；
所述数据感知模块用于对自动化监测系统的行为进行控制和管理并下达采集指令，实现定时采集数据和实时采集数据；
所述数据处理模块用于对采集的目标监测数据进行整理分类检验融合，并进行异常值处理和缺失值插补，再结合地理数据、结构数据、基础数据组建工程数据底板；
所述数据分析模块用于对处理后的数据进行常规分析，并进行监测预警和对工程进行安全综合评价，构建工程模型库和知识库；
所述数据可视化模块用于工程数字孪生体构建、模拟仿真与报警，在数据处理模块的工程数据底板基础上构建工程数字孪生体，并通过工程数字孪生体模拟仿真，预测异常后果，给出工程安全评价结果。
上述技术方案中，所述数据监测模块包括若干个传感器，所述传感器用于监测水利工程各部位的工程变形、渗流、应力应变以及环境量，获取目标监测数据。
上述技术方案中，所述数据采集模块包括若干个数据采集器，所述数据采集器通过安全监测专网将目标监测数据汇集传递至安全监测管理系统。
上述技术方案中，所述数据感知模块包括设备管理单元和数据采集单元，所述设备管理单元用于对各传感器的行为进行控制和管理，包括设备型号、量程、部位的基本信息以及设备自检、设备重启的操作；所述数据采集单元用于对数据采集器下达采集指令，实现定时采集数据和实时采集数据。
上述技术方案中，所述异常值处理采用阈值方法或人工智能方法进行处理；所述缺失值插补对缺失数据采用线性插值或三次样条插值方法进行补缺。
上述技术方案中，所述数据处理模块还提供若干个数据接口，所述数据接口用于连接外部设备进行数据的多元化图表展示。
上述技术方案中，所述数据分析模块对处理后的数据进行常规分析包括相关性分析、趋势性分析、突变分析。
上述技术方案中，所述数据分析模块以水位、温度、降雨因子为输入，以监测效应量为输出，利用逐步回归方法建立监测统计模型，分析各类环境变量对工程变形、渗流、应力应变、环境量的监测效应量的影响趋势；以水位、温度、降雨因子为输入，以监测效应量为输出，引入深度神经网络、支持向量机的机器学习算法对监测效应量进行智能预测；然后，采用置信区间法、云模型方法对工程进行安全评价；最后，进行归类整理与接口封装，开发相应的模型管理界面对模型及其参数进行增删改查，完成工程模型库构建。
上述技术方案中，所述数据可视化模块在数据处理模块的工程数据底板基础上，采用BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)+GIS(GeographicInformation System，地理信息系统)技术在Web端构建工程数字孪生体，工程数字孪生体囊括工程周边地形地貌、基础结构、建筑物、机电设备、监测仪器的实体工程中的所有元素，实现工程的全方位可视化。
上述技术方案中，所述数据可视化模块以采集的目标监测数据与工程模型预测数据驱动工程数字孪生体；当采集的目标监测数据或预测结果正常时，根据采集的目标监测数据对工程高精度模拟仿真，模拟工程各部位变形、温度场及应力场变化情况；当采集的目标监测数据或预测结果出现异常时，启动工程数字孪生体上的报警模块，通过高亮或闪烁方式显示异常部位，并通过工程数字孪生体模拟仿真，预测异常后果，给出工程安全评价结果。。
与现有技术相比，本发明具有如下优点：
其一，本发明的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统在数字世界构建工程孪生体，通过自动化监测系统将数据从实体工程输送至数字孪生体赋予其“体征”，进而通过安全监测管理系统预测未来工程性态变化，同时通过可视化技术将预测数据反映在数字孪生体中，仿真工程未来变形、渗流、应力应变、环境量等性态特征变化过程，以此为基础完成预警和预案处置；
其二，本发明的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统能够直观表达工程状态，视觉效果更好，便于从不同角度整体把握工程状态，分析更加全面；
其三，本发明的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统能够充分挖掘数据信息，实现了数据最大程度利用，可支撑工程安全“四预”功能业务；
其四，本发明的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统能够基本涵盖工程安全管理过程中涉及的所有业务，一套系统代替多套系统。
附图说明
图1为本发明基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施案例详细说明本发明的实施情况，但它们并不构成对本发明的限定，仅作举例而已。同时通过说明本发明的优点将变得更加清楚和容易理解。
本发明提供了一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，包括自动化监测系统和安全监测管理系统。自动化监测系统包括数据监测模块和数据采集模块；数据监测模块用于对水利工程各部位的工程变形、渗流、应力应变以及环境量进行监测，获取目标监测数据；数据采集模块用于采集数据监测模块监测获取的目标监测数据，并传递至安全监测管理系统；数据监测模块包括若干个传感器，传感器用于监测水利工程各部位的工程变形、渗流、应力应变以及环境量，获取目标监测数据。数据采集模块包括若干个数据采集器，数据采集器通过安全监测专网将目标监测数据汇集传递至安全监测管理系统。
安全监测管理系统包括数据感知模块、数据处理模块、数据分析模块、数据可视化模块；数据感知模块用于对自动化监测系统的行为进行控制和管理并下达采集指令，实现定时采集数据和实时采集数据；数据感知模块包括设备管理单元和数据采集单元，设备管理单元用于对各传感器的行为进行控制和管理，包括设备型号、量程、部位的基本信息以及设备自检、设备重启的操作；数据采集单元用于对数据采集器下达采集指令，实现定时采集数据和实时采集数据。
数据处理模块用于对采集的目标监测数据进行整理分类检验融合，并通过阈值方法、人工智能方法等进行异常值处理，对缺失数据采用线性插值、三次样条等插值方法进行补缺，再结合地理数据、结构数据、基础数据组建工程数据底板，并提供相应的数据接口，完成数据的多元化图表展示。
数据分析模块对处理后的数据进行分析，包括相关性分析、趋势性分析、突变分析的常规分析手段；以水位、温度、降雨因子为输入，以监测效应量为输出，利用逐步回归方法建立监测统计模型，分析各类环境变量对变形、渗流、应力应变等监测效应量的影响趋势；以水位、温度、降雨因子为输入，以监测效应量为输出，引入深度神经网络、支持向量机的机器学习算法对监测效应量进行智能预测；在此基础上，采用置信区间法、云模型方法对工程进行安全评价；将上述方法进行归类整理与接口封装，开发相应的模型管理界面对模型及其参数进行增删改查，完成工程模型库构建。
数据可视化模块用于工程数字孪生体构建、模拟仿真与报警，在数据处理模块的工程数据底板基础上，采用BIM(Building Information Modeling，建筑信息模型)+GIS(Geographic Information System，地理信息系统)技术在Web端构建工程数字孪生体，囊括工程周边地形地貌、基础结构、建筑物、机电设备、监测仪器的实体工程中的所有元素，实现工程各部位各断面各监测仪器的全方位可视化；以工程采集的目标监测数据与模型预测数据驱动工程数据孪生体，当采集的目标监测数据或预测结果正常时，根据采集数据对工程高精度模拟仿真，模拟工程各部位变形、温度场及应力场变化情况；当采集的目标监测数据或预测结果出现异常时，启动工程数字孪生体上的报警模块，通过高亮或闪烁方式显示异常部位，并通过工程数字孪生体模拟仿真，预测异常后果，给出工程安全评价结果，为业务人员制定处置措施提供决策支持。
以上，仅为本发明的具体实施方式，应当指出，任何熟悉本领域的技术人员在本发明所揭示的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内，其余未详细说明的均属于现有技术。

Claims (10)

1.一种基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：包括自动化监测系统和安全监测管理系统；
所述自动化监测系统包括数据监测模块和数据采集模块；
所述数据监测模块用于对水利工程各部位的工程变形、渗流、应力应变以及环境量进行监测，获取目标监测数据；
所述数据采集模块用于采集数据监测模块监测获取的目标监测数据，并传递至安全监测管理系统；
所述安全监测管理系统包括数据感知模块、数据处理模块、数据分析模块、数据可视化模块；
所述数据感知模块用于对自动化监测系统的行为进行控制和管理并下达采集指令，实现定时采集数据和实时采集数据；
所述数据处理模块用于对采集的目标监测数据进行整理分类检验融合，并进行异常值处理和缺失值插补，再结合地理数据、结构数据、基础数据组建工程数据底板；
所述数据分析模块用于对处理后的数据进行常规分析，并进行监测预警和对工程进行安全综合评价，构建工程模型库和知识库；
所述数据可视化模块用于工程数字孪生体构建、模拟仿真与报警，在数据处理模块的工程数据底板基础上构建工程数字孪生体，并通过工程数字孪生体模拟仿真，预测异常后果，给出工程安全评价结果。
2.根据权利要求1所述的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：所述数据监测模块包括若干个传感器，所述传感器用于监测水利工程各部位的工程变形、渗流、应力应变以及环境量，获取目标监测数据。
3.根据权利要求2所述的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：所述数据采集模块包括若干个数据采集器，所述数据采集器通过安全监测专网将目标监测数据汇集传递至安全监测管理系统。
4.根据权利要求3所述的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：所述数据感知模块包括设备管理单元和数据采集单元，所述设备管理单元用于对各传感器的行为进行控制和管理，包括设备型号、量程、部位的基本信息以及设备自检、设备重启的操作；所述数据采集单元用于对数据采集器下达采集指令，实现定时采集数据和实时采集数据。
5.根据权利要求1～4任一项所述的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：所述异常值处理采用阈值方法或人工智能方法进行处理；所述缺失值插补对缺失数据采用线性插值或三次样条插值方法进行补缺。
6.根据权利要求5所述的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：所述数据处理模块还提供若干个数据接口，所述数据接口用于连接外部设备进行数据的多元化图表展示。
7.根据权利要求6所述的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：所述数据分析模块对处理后的数据进行常规分析包括相关性分析、趋势性分析、突变分析。
8.根据权利要求7所述的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：所述数据分析模块以水位、温度、降雨因子为输入，以监测效应量为输出，利用逐步回归方法建立监测统计模型，分析各类环境变量对工程变形、渗流、应力应变、环境量的监测效应量的影响趋势；以水位、温度、降雨因子为输入，以监测效应量为输出，引入深度神经网络、支持向量机的机器学习算法对监测效应量进行智能预测；然后，采用置信区间法、云模型方法对工程进行安全评价；最后，进行归类整理与接口封装，开发相应的模型管理界面对模型及其参数进行增删改查，完成工程模型库构建。
9.根据权利要求8所述的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：所述数据可视化模块在数据处理模块的工程数据底板基础上，采用BIM+GIS技术在Web端构建工程数字孪生体，工程数字孪生体囊括工程周边地形地貌、基础结构、建筑物、机电设备、监测仪器的实体工程中的所有元素，实现工程的全方位可视化。
10.根据权利要求9所述的基于数字孪生的水利工程自动化安全监测管理系统，其特征在于：所述数据可视化模块以采集的目标监测数据与工程模型预测数据驱动工程数字孪生体；当采集的目标监测数据或预测结果正常时，根据采集的目标监测数据对工程高精度模拟仿真，模拟工程各部位变形、温度场及应力场变化情况；当采集的目标监测数据或预测结果出现异常时，启动工程数字孪生体上的报警模块，通过高亮或闪烁方式显示异常部位，并通过工程数字孪生体模拟仿真，预测异常后果，给出工程安全评价结果。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115994295A (zh) * 2023-03-22 2023-04-21 长江空间信息技术工程有限公司(武汉) 应用于水利工程运行安全的监测数据处理方法以及装置
CN116051313A (zh) * 2023-03-27 2023-05-02 中铁水利信息科技有限公司 基于数字孪生的水利工程全生命周期管理系统
CN116757097A (zh) * 2023-08-16 2023-09-15 南通午未连海科技有限公司 一种数字孪生水利工程运维监测系统和方法

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